Luchtelektriciteit en Bliksem

Luchtelektriciteit en
Bliksem
Aarnout van Delden
Instituut voor Marien en
Atmosferisch Onderzoek
Universiteit Utrecht
www.phys.uu.nl/~nvdelden
“virga”
Inhoud
De pioniers
Globale stroomkring
Ladingsscheidng in wolken
Onweer
Mechanisme van bliksem
Waarnemen van bliksem
Frequentie van bliksem
Dodge City, Kansas
1
Bliksem: tot 1750 groot
gevaar voor kerktorens
Op kerkklokken vaak de
inscriptie, “Fulgura Frango”
San Marco, Venetië is dikwijls
getroffen en verwoest door de
bliksem, bijvoorbeeld in 1388, 1417,
1489, 1565, 1653 en 1745.
Klokkenluiders: 103 doden in 33 jaar in 18de eeuw (D)
Theeplantagewerkers in Tanzanía (Unilever)
Pioniers in het
onderzoek naar
luchtelektriciteit
Benjamin Franklin
1706-1790
Charles Thomson Rees Wilson
1869-1959
Lord Kelvin 1824-1907
2
Benjamin Franklin
Bliksem is een elektrisch fenomeen
Franklin is de
uitvinder van de
bliksemafleidier
Benjamin Franklin+Lord Kelvin
Bliksem is onderdeel van het luchtelektrisch stroomcircuit
Cosmische straling
+
+
Lekstroom*
+
-
-2,7 µA km-2
+
-
Stroomsterkten gemiddeld over de gehele
aarde en over lange tijd.
Over de hele aarde is de
totale stroomsterkte
1400 amp. Die stroom
moet ergens vandaan
komen. Batterij wordt
vervuld door allle
onweersbuien die op aarde
op een bepaald moment
aanwezig zijn. Dat zijn er
ongeveer 1500.
Dus 1 ampére per bui.
* of mooiweerstroom
3
Electrisch veld bij het
aardoppervlak
Vlakken van gelijke
elektrische spanning
boven de grond. Boven
een spits voorwerp zijn
de verticale spanningsverschillen het grootst.
C.T.R. Wilson
Relatie tussen onweersbuien en mooiweerstroom aangetoond
Elektrisch veld boven de oceaan
Correlatie is niet perfect maar relatie
is duidelijk!
onweersavtiviteit
Drie grote centra optreden
onweer:
Afrika,
Amerika
zuidoost Azië
4
Eén jaar bliksemtellingen m.b.v. satelliet
70% van alle bliksem tussen 30°Z en 30°N;
10 keer zoveel bliksem boven land
Ionen & ladingsscheiding
Lading: 10-100 C
Kleine ionen
zijn meest
bewegelijk en
zorgen voor
ladingstransport
ijs+onderkoeld
water
5
C.T.R. Wilson
Ladingsscheiding in wolken door microfysische interacties
Vallende hagel korrels in het gemiddelde
elektrisch veld; onderzijde wordt positief
(polarisatie).
Negatief geladen kleinere druppels worden
aangetrokken en ingevangen
De grote korrels worden dus negatief geladen
en de kleine positief.
De kleine korrels worden door sterke
opwaartse wind naar boven getrokken
Opwaartse stroomsnelheid in
onweerswolk: orkaankracht!
Algemene regel is dat bliksem
alleen optreedt als verticale
luchtsnelheid>7 m s-1.
Gevonden op 7 juni 1998 in Elburg
Metingen van verticale snelheid, w:
Gewone cumulus
50 m/s!!
Onweerswolk
Hiermee kunnen dit soort hagelstenen in de lucht worden gehouden
6
Potentiële Onstabiliteit
De sterke vertikale luchtstromen
onstaan door “potentiéle
convectieve onstabiliteit”.
Condensatiewarmte speelt hier
een doorslaggevende rol.
curve d: effect menging met
omgeving;
curve c: effect condensatie
warmte;
curve e: effect warmteverlies
door verdamping
Relatie onstabiliteit bliksem
De Bilt, uit 10 jaar waarnemingen ATD systeem (zie later)
Kans op bliksem <6 uur na meting stabiliteit en binnen
straal van 100 km van meetpunt.
onstabiel
7
Onweersbui
Cumulonimbus
Ardmore, Oklahoma
8
0600 UTC
20 feb 05
1200 UTC
20 feb 05
9
1800 UTC
20 feb 05
Ladingscentra gekoppeld
aan temperatuurniveau’s
Opmerkelijk is, dat de ladingscentra min of meer aan temperatuurniveau's gekoppeld zijn en dus 's winters veel lager liggen dan 's
zomers en bovendien op gematigde breedten hoger dan in de tropen.
In 10% van de
gevallen positieve
lading naar aarde
20-30 C aan
negatieve lading
naar aarde
10
De bliksem
Voorontlading
Vangontlading
hoofdontlading
Doorslagspanning
Onder de wolk worden elektronen in de aardkorst
verdreven, zodat de aarde plaatselijk een positieve lading
krijgt. Onder de wolk heerst daarom een sterk veld, dat
omhoog gericht is. De elektrische spanning in dat veld is
echter 100-1000 keer te klein om vonken te laten
overslaan. De doorslagspanning van lucht is namelijk niet
minder dan 3 millioen volt/m!
11
Voorontlading
Dankzij de onregelmatige verdeling van de ladingen in de wolk
treedt plaatselijk enige vonkvorming op, waardoor ionisatie
plaatsvindt en de geleiding sterk toeneemt. De hoogste
spanningsverschillen verplaatsen zich naar de tip van het
geleidende kanaal. Daar vormen zich weer vonken en herhaalt
zich het proces. Deze kettingreactie leidt tot een zichzelf
voortplantend geleidend kanaal met een doorsnede van enkele
centimeters, de zogenaamde voor-ontlading. De voorontlading
groeit stootsgewijs in stappen van enkele 10-tallen meters in
de richting van de grootste spannings-verschillen. Een echt
grote stroom loopt er nog niet: de (negatieve) lading schuift
af en toe iets verder op in het geleidende kanaal, waarbij dat
kanaal telkens iets oplicht. De daalsnelheid van de
voorontlading is zo'n 1500 km/sec.
Vangontlading
Een of meer takken van de voorontlading kunnen dicht bij de
grond komen, bijvoorbeeld op 100 m hoogte. Het kanaal heeft
dan ongeveer de elektrische spanning van de wolk en de
veldsterkte (volt per meter hoogteverschil) boven de grond
loopt dus enorm op. Met name boven spitse punten is er
sprake van krachtige vonkvorming, die zich in de richting van
het naderende voorontladingskanaal spoedt. Men noemt dit om
begrijpelijke redenen de vangontlading.
12
Hoofdontlading
Als de vangontlading contact maakt gaan elektronen in grote
aantallen sneller bewegen. Even later vult een sterke stroom
het hele kanaal. Men noemt dit de hoofdontlading of soms ook
wel de 'terugslag’ (“return stroke”). Dit verschijnsel
verplaatst zich met ca. 100000 km/sec van de aarde naar de
wolk*. Als de bliksem uitdooft omdat alle bereikbare lading
verplaatst is, vindt er een snelle herverdeling van lading in de
wolk plaatst. Het kanaal wordt dan opnieuw gebruikt, door een
nieuwe, snelle -nu onvertakte- voorontlading, en vervolgens
door een nieuwe opwaartse hoofdontlading. Niet zelden
herhaalt zich dit alles enkele malen.
* In ons voorbeeld lopen de electronen omlaag en in
ons spraakgebruik wordt de stroomrichting omhoog
gerekend (van plus naar min).
De bliksemflits
Wat wij als één bliksem waarnemen, bestaat dus
eigenlijk uit een aantal zogenaamde 'deelbliksems'
0.1 s
13
bliksemflits
Om de diverse componenten
van de bliksem te ontrafelen.
kan een bewegende camera
helpen. Men kan de camera
bijvoorbeeld op een pick-up
draaitafel monteren, zodat de
achtereenvolgende fases van
de bliksem naast elkaar op de
foto komen. Zie hiernaast een
voorbeeld van het resultaat
Soorten bliksem
C-G
C-C
Verhouding C-C/C-G is 1-5 afnemend met
afstand tot evenaar
Bolbliksem:
diameter 10-20 cm;
levensduur enkele sec
Nature (2000)
14
Red Sprites
Bliksem tussen wolk en ionosfeer
De donder
In het bliksemkanaal kan een temperatuur
van enkele 10 duizenden °C* worden
bereikt binnen minder dan een sec.!
Hierdoor zet de lucht uit en is een
geluidsgolf geboren: donder!!
*productie van stikstof-oxiden (NOx)
15
Plaatsbepaling bliksem
Arrival Time
Delay detection
system van de UK
Met Office
Het gaat om
tijdverschillen van
1 microseconde!!
Radiogolven op 10 kHz (door bliksem gegenereerd) worden
op 7 stations ontvangen en met elkaar vergeleken.
Nauwkeurigheid plaatsbepaling in Europa 5-20 km.
Bliksems vandaag
16
Satellietfoto 12 UTC 21 feb 05
Dagen met bliksems
Maart-Mei 1990-1999
17
Dagen met bliksems
Juni-Augustus 1990-1999
Dagen met bliksems
September-november 1990-1999
18
Dagen met bliksems
December-februari 1990-1999
Schumann resonanties
Bliksem genereerd elektromagnetische golven zoals
radiogolven, maar ook staande golven die bekend
staan als Schumann resonanties. De frequentie
wordt bepaald door de omtrek van de geleider en de
lichtsnelheid. De fundamentele resonante frequentie
is 8 Hz.
19
Einde
literatuur
• Martin A. Uman, 1987: The Lightning
Discharge. Academic Press.
• Herman Wessels, 1990:
Luchtelektriciteit en onweer. Zenit,
juli/Augustus 1990, 258-264
20